Kwantumfotonica omvat een nieuw type technologie dat afhankelijk is van fotonen, het elementaire deeltje licht. Deze fotonen kunnen mogelijk kwantumbits informatie over grote afstanden vervoeren. Als de fotonenbron op een enkele chip zou kunnen worden geplaatst en gemaakt om met een hoge snelheid fotonen te produceren, dit zou snelle kwantumcommunicatie of informatieverwerking mogelijk maken, wat een grote vooruitgang zou betekenen op het gebied van informatietechnologieën.

In het nummer van deze week van Technische Natuurkunde Beoordelingen , een eenvoudige on-chip fotonbron met behulp van een soort materiaal dat bekend staat als een hyperbolisch metamateriaal wordt voorgesteld. De onderzoekers hebben berekeningen uitgevoerd om aan te tonen dat een prototype dat gebruikmaakt van het hyperbolische metamateriaal dat op een nauwkeurige manier is gerangschikt, problemen van lage efficiëntie kan overwinnen en hoge herhalingssnelheden voor on-chip fotonbronnen mogelijk maakt.

Tot voor kort, single-photon bronnen zijn meestal gemaakt van zelf-geassembleerde quantum dots in halfgeleiders of van materialen, zoals diamanten, met structurele gebreken. Het is moeilijk, echter, om enkele fotonen met hoge snelheden te produceren uit dergelijke materialen. Er zijn enkele benaderingen geprobeerd om dit probleem te verhelpen, maar tot nu toe, de resultaten lijden onder een smalle bandbreedte en een laag rendement.

Een andere manier om deze problemen aan te pakken is het gebruik van speciale materialen, zoals metamaterialen, voor de fotonenbron. Metamaterialen zijn stapels metalen en diëlektrische lagen, gestructureerd op een niveau dat veel kleiner is dan de golflengte van het licht dat wordt gebruikt. Ze vertonen ongebruikelijke optische eigenschappen wanneer ze in vormen worden gevormd, zoals nanodraden. Elektronen die door het materiaal stromen, zetten een collectieve trilling op die bekend staat als een oppervlakteplasmon, genereren van gelokaliseerde elektromagnetische velden.

Hyperbolische metamaterialen zijn sterk anisotrope versies van deze metamaterialen. Ze manipuleren licht op verschillende manieren. Bijvoorbeeld, ze kunnen de golflengte van licht verkleinen en het vrij in de ene richting laten reizen terwijl het in een andere richting wordt gestopt.

De onderzoekers stellen een geometrie voor voor hun on-chip fotonenbron waarbij een hyperbolisch metamateriaal onder een precieze hoek wordt gekanteld ten opzichte van het eindfacet van de nabijgelegen nanovezel die wordt gebruikt om de uitgezonden fotonen door te geven. Door de kantelhoek zorgvuldig te kiezen, lichtreflecties worden onderdrukt op het grensvlak met de vezel.

Berekeningen door de groep toonden aan dat deze eenvoudige geometrische opstelling eerdere beperkingen met deze materialen zou moeten overwinnen.

Co-auteur Lian Shen zei:"Ons werk vertegenwoordigt een essentiële stap in de richting van de implementatie van spectraal brede enkelvoudige fotonbronnen met hoge herhalingssnelheden voor kwantumnetwerken op de chip."